廖慶龍

(廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530023)

0 引 言

臺風運動通常帶來暴雨和洪災，導致經(jīng)濟損失和人員傷亡[1-2]。對臺風進行監(jiān)測和分析，有助于人們了解臺風結(jié)構(gòu)、及時掌握臺風位置和強度的變化，減少損失[3]。21世紀以來，遙感成為降水觀測的新方式，衛(wèi)星降水產(chǎn)品可用于臺風運動帶來的暴雨過程的準實時監(jiān)測與分析。

由NASA和JAXA共同開發(fā)的全球降水測量計劃GPM(Global Precipitation Measurement)作為最新的準全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品(覆蓋范圍為65°N至65°S)，搭載了雙頻降水雷達DPR和先進的微波成像儀GMI，可提供時間分辨率最高為30 min、空間分辨率為0.1°×0.1°的網(wǎng)格降雨估計。GPM提供2種近實時產(chǎn)品，分別稱為IMERG_E和IMERG_L，其對應的數(shù)據(jù)發(fā)布延遲時間分別為4 h和14 h[4-9]。

目前，已有一些研究采用GPM對臺風運動帶來的降雨過程進行分析評價。李芳等[10]利用GPM衛(wèi)星資料、地基雷達資料和地面降水實況對2018年第18號臺風“溫比亞”影響山東期間的降水結(jié)構(gòu)進行分析。李曉俞等[11]采用7種統(tǒng)計指數(shù)對比分析了第6版本IMERG多種產(chǎn)品基于2018年第22號臺風“山竹”期間在中國大陸華南和華東雨區(qū)的降水情況。翁之梅等[12]利用GPM衛(wèi)星IMERG產(chǎn)品對2019年9號臺風“利奇馬”登陸浙江沿海前后降水結(jié)構(gòu)特征及雨帶強度變化成因展開分析。唐飛等[13]利用衛(wèi)星遙感資料對2021年6號臺風“煙花”影響華東、華北及東北地區(qū)的過程進行分析。在海南島地區(qū)，除方勉等[14]基于2016年1至12月三亞市地面雨量數(shù)據(jù)對GPM月尺度降水數(shù)據(jù)進行了適用性分析，鮮有GPM在海南島的表現(xiàn)及精度情況的相關(guān)研究。在衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的綜合表現(xiàn)評價上，Gan等[15]于2021年提出了采用綜合表現(xiàn)指數(shù)CPI(Comprehensive Performance Index)對衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的綜合表現(xiàn)進行量化，但CPI僅在廣西南流江流域進行了計算，國內(nèi)外尚還缺乏探討臺風運動期間IMERG衛(wèi)星降雨產(chǎn)品綜合表現(xiàn)的相關(guān)研究。

本文選擇2021年17號臺風“獅子山”作為研究對象，其于10月6日0時(世界時，下同)在西沙群島附近生成并于10月8日14時在海南瓊海市登陸，其臺風中心在10月9日8時左右離開海南(見圖1)，于10月10日在越南沿海地區(qū)消亡?！蔼{子山”作為2021年第一個從臺風中心登陸到離開海南島時均保持熱帶風暴級別的熱帶氣旋，其運動對海南島產(chǎn)生深度影響并導致明顯的暴雨過程。通過分析GPM準實時產(chǎn)品在臺風“獅子山”過境海南島期間的呈現(xiàn)能力及綜合表現(xiàn)，可以深入了解IMERG在臺風暴雨事件中的性能。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)域及地面數(shù)據(jù)

海南島位于我國華南地區(qū)，西岸臨北部灣，東岸臨南海，是我國第二大島嶼。海南島全境位于熱帶地區(qū)，氣候為典型的熱帶季風氣候，年平均氣溫在22 ℃以上。海南雨量充沛，年降水量介于1 000 ～2 600 mm，有明顯的雨季和干季，是我國最容易遭受臺風的地區(qū)之一。

本文選擇了海南島15個國家級地面氣象站(見圖1)的實測雨量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，數(shù)據(jù)來源為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。時間序列為臺風生成至臺風消亡的周期，即2021年10月6日至10月10日(世界時，下同)共計5 d(120 h)。

1.2 GPM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)

本文選擇GPM衛(wèi)星降水產(chǎn)品中2個準實時產(chǎn)品的半小時降雨數(shù)據(jù)進行分析，為了與地面數(shù)據(jù)的時間尺度統(tǒng)一，每兩個半小時衛(wèi)星降水估計值累加成一小時衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源網(wǎng)址為https:∥gpm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時間序列同地面數(shù)據(jù)相同，均為5 d內(nèi)的120 h。

2 評估方法

GPM提供網(wǎng)格數(shù)據(jù)而地面實測降雨屬于點數(shù)據(jù)。為了了解臺風運動過程中衛(wèi)星降水產(chǎn)品呈現(xiàn)的地面降雨分布情況，本文采用普通克里金法對地面站點雨量數(shù)據(jù)進行了空間插值，以便直觀、清晰地對比地面降雨分布與衛(wèi)星網(wǎng)格降雨分布之間的差異，衡量GPM對臺風降雨的呈現(xiàn)能力。

除此之外，本文采用6個統(tǒng)計指標，分別基于區(qū)域尺度和站點尺度分析IMERG近實時產(chǎn)品降雨估計值與地面數(shù)據(jù)的相關(guān)性、誤差情況以及對臺風降雨的探測能力。其中相關(guān)性由相關(guān)系數(shù)(CC)表示，誤差情況由相對偏差(RB)和均方根誤差(RMSE)表示，而探測能力的評估基于探測率(POD)、報錯率(FAR)和關(guān)鍵成功系數(shù)(CSI)。各個統(tǒng)計指標具體計算公式、理想值和單位如表1所示。

表1 統(tǒng)計指標表達式、理想值及單位

表2 衛(wèi)星降水產(chǎn)品探測能力分析中降雨事件分類

綜合表現(xiàn)指數(shù)CPI的公式基于站點尺度，將統(tǒng)計指標分成2類，可以計算多種衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在同一地面站點各自的綜合表現(xiàn)，從而得到在該站點表現(xiàn)最好的衛(wèi)星降雨產(chǎn)品。其公式為

(1)

式中，A為理想值為1的統(tǒng)計指標，分別為CC、POD和CSI；B為理想值為0的統(tǒng)計指標，分別為RB、RMSE和FAR；Ai，max為某站點所有衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在第i個A類指標上的最大值；Bj，min為某站點所有衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在第j個B類指標上的最小值。對于每個地面站點，某種衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在該站點的CPI最大值為600。

3 結(jié)果與討論

3.1 臺風過程的降水時空分布分析

圖2為臺風“獅子山”活動期間海南島的降雨分布情況。由圖2可看出，10月6日至10月7日(臺風登陸海南島前)，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品所呈現(xiàn)的降水分布與地面數(shù)據(jù)吻合良好。10月8日0時至11時，臺風“獅子山”登陸海南島東海岸，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在海南島東北部明顯高估地面降雨量，說明遭遇臺風登陸引起的暴雨事件時IMERG易出現(xiàn)降水高估現(xiàn)象。10月8日12時至23時，在海南島西海岸，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面雨量分布的吻合情況與前12個小時相比有所提升。10月9日臺風移動至海南島西北部的北部灣海域，該日IMERG觀測到的日降雨量大于100 mm/d的區(qū)域明顯小于地面。10月10日，海南島中北部地區(qū)存在衛(wèi)星降水產(chǎn)品高估地面降水量的情況。

圖2 臺風“獅子山”活動期間海南島降雨分布

3.2 區(qū)域尺度統(tǒng)計指標結(jié)果分析

由表3可以看出，IMERG_E和IMERG_L的相關(guān)系數(shù)分別為0.475和0.527，相對偏差分別為-0.31和-0.55，均方根誤差分別為4.67 mm和4.44 mm。除相對誤差外，IMERG_L在區(qū)域尺度上的表現(xiàn)優(yōu)于IMERG_E。

表3 區(qū)域尺度2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品統(tǒng)計指標計算結(jié)果

圖3為區(qū)域尺度下2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品探測能力在不同閾值下的變化情況。由圖3可知，降水強度較低時，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品的POD和CSI都處于最高值，F(xiàn)AR處于最低值，這可能是GPM搭載的更為先進的雷達有更高的時空分辨率，進一步下降了降水探測的最小閾值，更有利于捕捉小雨[16]。隨著閾值的逐漸增大，POD、FAR和CSI在2～5 mm/h之間相對穩(wěn)定，說明在降雨強度處于該區(qū)間內(nèi)，衛(wèi)星降水產(chǎn)品的觀測能力可以保持穩(wěn)定的水準。在降水強度超過5 mm/h后，POD和CSI出現(xiàn)顯著下降的趨勢，F(xiàn)AR出現(xiàn)顯著上升的趨勢。這說明高降水強度下，衛(wèi)星降水產(chǎn)品的探測能力有待提升。

圖3 區(qū)域尺度2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品探測能力在不同閾值下的變化情況

3.3 站點尺度統(tǒng)計指標結(jié)果分析

圖4為站點尺度下2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品統(tǒng)計指標結(jié)果分布。由圖4可看以出，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品的CC分布情況在站點尺度基本一致，其在大多數(shù)站點的值高于0.5。這說明IMERG準實時產(chǎn)品與實測值之間的相關(guān)性較高，最低值出現(xiàn)在南部的地面站點上。2種產(chǎn)品的RB絕對值在絕大多數(shù)站點上基本保持在0.5以內(nèi)，IMERG_E相比IMERG_L在更多的站點上偏差程度較低。2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在絕大多數(shù)站點的RMSE均在8以內(nèi)。

圖4 站點尺度2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品統(tǒng)計指標結(jié)果分布

圖5 站點尺度2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品探測能力指標分布

圖5為站點尺度下2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品探測能力指標分布。由圖5可看出，當閾值為0.05 mm/h時，IMERG_E和IMERG_L在所有站點的POD均高于0.6，F(xiàn)AR均小于0.4，CSI均高于0.6，反映了低降雨強度下2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品均有較為優(yōu)秀的探測能力。當閾值為0.5 mm/h時，部分站點的POD出現(xiàn)減小，但2種產(chǎn)品在所有站點的POD依然高于0.6。IMERG_E的FAR值在許多站點小于IMERG_L。CSI在絕大部分站點仍保持在0.4以上。當閾值為5 mm/h時，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品的POD和CSI均明顯降低，F(xiàn)AR大幅增加，其中位于海南島南部五指山站的POD低于0.2，F(xiàn)AR達到0.8以上。該閾值下IMERG_E在部分站點上的POD和CSI比IMERG_L要高。在高降雨強度下，臺風登陸的東岸地區(qū)站點的CSI要低于西海岸站點的CSI，說明GPM需要提升臺風登陸時對暴雨的監(jiān)測能力。

3.4 衛(wèi)星降雨產(chǎn)品綜合表現(xiàn)評價

2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在每個站點的綜合表現(xiàn)指數(shù)計算結(jié)果見表4。由表4可知，絕大部分站點IMERG_L的綜合表現(xiàn)要優(yōu)于IMERG_E，但在海南島西部及西北部的站點(東方、臨高、儋州、白沙)，IMERG_E的CPI要比IMERG_L的高。從而說明，盡管IMERG_L在部分結(jié)果中表現(xiàn)不如IMERG_E，但作為發(fā)布時間更晚的GPM準實時產(chǎn)品，IMERG_L應該具有更好的綜合表現(xiàn)。而綜合表現(xiàn)最差的站點出現(xiàn)在?？谑懈浇恼军c，說明城市環(huán)境通常具有復雜的降雨時空變化，衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的性能會受到影響。

表4 兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在每個站點的綜合表現(xiàn)指數(shù)計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文選擇海南島15個地面站點共120個小時的降水數(shù)據(jù)作為參考，分析了臺風“獅子山”過境海南島時GPM準實時產(chǎn)品捕捉的降雨時空分布，并在區(qū)域尺度和站點尺度上對2種半小時衛(wèi)星降水產(chǎn)品進行探測能力、相關(guān)性和誤差分析，主要結(jié)論如下：

(1)臺風“獅子山”登陸海南島前，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品捕捉到的降雨空間分布與地面數(shù)據(jù)吻合良好。登陸當日，海南島東北部在前12 h出現(xiàn)了2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品高估降雨現(xiàn)象，后12 h高估程度顯著改善。臺風中心離開海南島后，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在中北部出現(xiàn)略微高估降雨現(xiàn)象。

(2)區(qū)域尺度上，隨降雨閾值增加，IMERG_E和IMERG_L的探測能力變?nèi)?，但?～5 mm /h區(qū)間，3個統(tǒng)計指標的值均保持相對穩(wěn)定。當閾值超過5 mm/h時，探測能力又出現(xiàn)顯著下降。在相關(guān)性和均方根誤差情況方面，IMERG_L在區(qū)域尺度上的表現(xiàn)優(yōu)于IMERG_E。

(3)站點尺度上，2種產(chǎn)品的6種統(tǒng)計指標空間分布基本一致。其在海南島南部站點的CC明顯低于其他區(qū)域，IMERG_L在部分站點上偏差程度高于IMERG_E；在閾值為5 mm/h時，IMERG_E在部分站點上FAR及CSI的表現(xiàn)優(yōu)于IMERG_L。

(4)IMERG_L在海南島大部分地面站點的綜合表現(xiàn)優(yōu)于IMERG_E，2種衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在?？谑械木C合表現(xiàn)均最差，體現(xiàn)出衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在面對城市環(huán)境時性能受限。

綜上，GPM準實時產(chǎn)品可以較好地實現(xiàn)影響海南島臺風過程的準實時監(jiān)測，但需要提升在臺風登陸時暴雨事件中的監(jiān)測能力，減少高估和低估地面降水情況。